一种随机空间采样的超快超声血流成像方法及系统

技术领域

本发明涉及一种随机空间采样的超快超声血流成像方法及系统。

背景技术

近年来，基于平面波成像原理的超快超声技术日渐成熟，在现有超声探头同等发射频率和功率条件下，能够将成像帧频由传统的50-100帧/秒提升至10000帧/秒以上，使得超快超声血流成像及以超声功能成像为代表的大数据量的超声应用延伸技术成为血管网络成像、脑活动描述和脑功能评价的强有力工具，其穿透性深、时空分辨率高及便携性对于它在基础研究和临床应用中都有广阔前景。但其高帧率、高时空分辨率、高灵敏度等优点也带来了数据量较大的副作用，极大影响了数据传输、存储和后处理的速度，限制了帧率的进一步提高以及实时成像的实现。

特别是以功能超声成像、超分辨率超声成像、三维超声成像、四维超声成像为代表的超声应用，高帧率下才能捕捉更多的血流变化的微小、瞬态信息，通过神经血管耦合关系反应神经活动，因而单位时间内数据量极易达到硬件限制，难以进一步提高帧率、提高时间分辨率；其次，该类超声应用目前均需要较长时间采集信号进行长程分析、动态观测，累积产生的数据量较大；最后，该类超声应用虽然成像速度已经快于核磁共振、功能核磁共振，可实现半实时成像，但其目标均是临床实时成像，对于大量数据后处理的计算速度提出了更高的要求。因而，降低数据量实现实时存储、提高帧率、提高计算速度，对于超快超声技术的进一步发展至关重要。

发明内容

为解决上述问题，提供一种随机空间采样的超快超声血流成像方法及系统，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种随机空间采样的超快超声血流成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，利用超声探头向成像区域发射超声平面波；步骤S2，接收反射或背散射的超声射频回波信号；步骤S3，基于概率密度分布函数对超声射频回波信号进行采样，并存储为(n

本发明提供的一种随机空间采样的超快超声血流成像方法，还可以具有这样的技术特征，其中，均匀分布的概率密度函数f

本发明提供的一种随机空间采样的超快超声血流成像方法，还可以具有这样的技术特征，其中，高斯分布的概率密度函数f

本发明提供的一种随机空间采样的超快超声血流成像方法，还可以具有这样的技术特征，其中，

其中，血流强度分布的概率密度函数的具体表达式通过以下步骤得到：第一步，得到血流强度分布的离散概率密度函数P(i)的表达式为：

式中，A

式中，w＝[w

f(x,w)为w的线性函数，因此上述优化问题为一个凸函数，通过对目标函数求一阶导数，并设导数为0，得到血流强度分布的概率密度函数。拟合方法包含但不限于多项式拟合、高斯拟合、正交多项式拟合。

本发明提供的一种随机空间采样的超快超声血流成像方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤S4包括以下步骤：步骤S4-1，对每一帧图像，构建(n

本发明提供的一种随机空间采样的超快超声血流成像方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤S4包括以下步骤：步骤S4-1，将采集存储的单帧回波数据矩阵(n

本发明提供的一种随机空间采样的超快超声血流成像方法，还可以具有这样的技术特征，其中，随机空间采样激活工作的线阵探头通道数n

本发明提供的一种随机空间采样的超快超声血流成像方法，还可以具有这样的技术特征，其中，信号处理操作包括波束合成、相干复合、图像配准、杂波滤除以及正交解调。

本发明提供的一种随机空间采样的超快超声血流成像系统，还可以具有这样的技术特征，其中，信号发射模块，利用超声探头向成像区域发射超声平面波；信号接收模块，接收反射或背散射的超声射频回波信号；随机采样模块，选择概率密度分布函数对超声射频回波信号进行采样，并存储为(n

发明作用与效果

根据本发明提供的一种随机空间采样的超快超声血流成像方法及系统基于超快超声成像技术和多角度平面波复合成像技术向成像区域发射和接收超声波，根据概率密度分布函数对回波信号随机空间采样，采集的回波信号数据量相比全通道原始全通道回波信号数据大大减少，但是对回波信号矩阵重建后进行处理，仍得到比较清晰的功率多普勒、彩色多普勒等动态血流变化图像及辅助分析的相关多模态超声融合图像。因此，本发明通过对线阵探头的通道进行随机子采样在采样时间不变的基础上大幅度减少超声成像数据存储量，提高后续计算处理效率，特别是减少波束合成的计算时间。对于功能超声成像、超分辨率超声成像、三维超声成像、四维超声成像等需要实时存储和快速处理大量数据的超声应用，均可以通过本发明方法降低数据量。

其次，本发明在单位时间内具有低数据存储量的特点，有助于实现帧率的成倍提高，能够进一步提高对于血流变化小信号的捕捉能力，从而提高功能超声成像的精度。

再次，本发明中的回波信号的矩阵重建处理若采用补零方式，可以充分利用了血管网络本身的稀疏特性，能够在降低数据量的同时较好地保留信号中的血流成分，从而保持成像信噪比、分辨率、检测血流变化的灵敏度，也即保证了与全数据量相当的成像质量。

最后，本发明中对线阵探头的通道进行随机子采样实现高质量血流成像，证明了低成本设备实现高分辨率血管成像的可行性，有助于降低硬件复杂度。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种随机空间采样的超快超声血流成像方法流程图；

图2是本发明实施例中相邻单位采样时间内一组多帧回波信号矩阵随机采样结果示意图；

图3是本发明实施例中16、32、64、128通道以均匀分布为概率密度函数进行随机空间采样的功率多普勒血流图；

图4是本发明实施例中16、32、64、128通道以均匀分布为概率密度函数进行随机空间采样的彩色多普勒血流图；

图5是本发明实施例中信噪比随着采样通道数减少的变化曲线，及图3虚线沿线处血管分辨率曲线；

图6是本发明实施例中的一种随机空间采样的超快超声血流成像系统结构图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明的一种随机空间采样的超快超声血流成像方法及系统作具体阐述。

<实施例>

本实施例是采用成年大鼠进行实验，将大鼠麻醉后固定在大鼠脑定位仪上，对大鼠进行超快超声血流成像。

图1是本发明实施例中的一种随机空间采样的超快超声血流成像方法流程图。

如图1所示，步骤S1，调整超快超声成像的成像帧率、成像深度、平面波偏转角度等参数，利用超声探头向成像区域内发射一组多个偏转角度的平面波。本例中使用中心频率为15.6MHz，128通道的线阵超声探头，每组发射15个偏转角度的平面波。超声平面波的发射序列，可调节成像帧率、成像深度、平面波偏转角度等参数，满足高帧频、高质量成像的要求。

步骤S2，同时接收反射或背散射的超声射频回波信号。

步骤S3，基于概率密度分布函数对超声射频回波信号进行采样并存储为(n

概率密度分布函数包括固定概率密度分布和血流强度分布，其中固定概率密度分布包括但不限于均匀分布和高斯分布。

图2是本发明实施例中相邻单位采样时间内一组多帧回波信号矩阵随机采样结果示意图。

本实施例中，选择以均匀分布为概率密度分布作为随机不重复采样的概率密度分布函数，接收回波信号时线阵探头上只有被随机选择的16通道或32通道或64通道激活工作，如图2所示，同一帧图像内各个角度随机选择的通道不同，但单位采样时间内的一组多帧图像各帧之间同一个角度采用同一种随机结果。随机采样后实际存储的为大小为(23040×n

因此，本实施例中的概率密度函数的表达式为：

步骤S4，对三维时空矩阵进行矩阵重构，得到(n

步骤S4-1，对每一帧图像，构建(23040×128)的全零矩阵。

步骤S4-2，将采集存储的单帧回波数据矩阵(23040×n

步骤S4-3，将每个子矩阵数据赋值到(23040×128)全零矩阵的对应列，得到大小为(23040×128)单帧全通道回波信号矩阵，其中，单帧全通道回波信号矩阵的n

步骤S4-4，得到大小为(23040×128×200)的三维时空重构矩阵。

图3为本发明实施例中16、32、64、128通道以均匀分布为概率密度函数进行随机空间采样的功率多普勒血流图，图4为本发明实施例中16、32、64、128通道以均匀分布为概率密度函数进行随机空间采样的彩色多普勒血流图。

如图3、图4所示，步骤S5，对三维时空重构矩阵进行波束合成、相干复合、图像配准、杂波滤除、正交解调以及一些基本算法操作，得到大鼠全脑血流网络的功率多普勒、彩色多普勒等形式血流变化图像。由图3，图4所示，分别通过16通道、32通道、64通道和128进行随机采样，得到的功率多普勒血流变化图像和彩色多普勒形式血流变化图像都比较相似，仍然可以清晰显示出微血管和血流流向。

本实施例中利用信噪比SNR对成像方法性能指标进行评价。

图5是本发明实施例中信噪比随着采样通道数减少的变化曲线，及图3虚线沿线处血管分辨率曲线。

如图5(a)部分所示，信噪比随着采样通道数减少而减少，在图3中选取虚线沿线像素血流情况为样本，得到血管分辨率曲线，结果如图5(b)部分所示。图5(b)部分中曲线各个幅度峰值为可分辨相邻的微血管，方框内区域表明部分小血管除了在16通道采样模式下无法明显区分，在其他三种随机采样模式下均可分辨。在图3中选取两块同等大小的区域进行信噪比计算，靠近虚线处的方框1为血流信号区域，在该信号区域上方的方框2为无信号区域，以这两处区域为样本进行信噪比计算，结果如表1所示。

表1不同的随机采样模式下的信噪比结果

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由表1所示，通过对线阵探头的通道进行随机子采样来减少所需的数据量和硬件复杂度。虽然减少工作通道的数量会降低信噪比，导致部分微血管显示缺失，但随机选择32通道或64通道采样的多普勒图像与128全通道结果高度相近；且对整体血管网络的分辨率影响有限，除去部分低幅值小血管，三种随机采样模式的分辨率曲线均与128全通道结果相似，因而可以在通道数量和重建血管网络的质量之间找到折衷，证明了利用在随机采样取得小数据量的情况下进行超快超声血流成像的可行性，实现低成本高分辨率血管测绘。

图6为本发明实施例中的一种随机空间采样的超快超声血流成像系统结构图。

如图6所示，本实施例中的一种随机空间采样的超快超声血流成像系统10包括：信号发射模块11、信号接收模块12、随机采样模块13、矩阵重建模块14、超快超声成像模块15以及控制上述各模块的主控制模块16。

该系统10可以通过相应的各个模块执行如上述步骤S1-S5的流程，并实现随机空间采样的超快超声血流成像。

实施例作用与效果

根据本实施例提供的一种随机空间采样的超快超声血流成像方法及系统基于超快超声成像技术和多角度平面波复合成像技术向成像区域发射和接收超声波，使用概率密度分布函数对回波信号随机空间采样，存储的回波信号数据量比全通道原始全通道回波信号数据大大减少，但是对回波信号矩阵进行重建和信号处理后，仍得到比较清晰的多普勒血流图像，因此，本实施例在采样时间不变的基础上大幅度减少超声成像数据存储量，提高后续计算处理效率，特别是减少波束合成的计算时间。对于功能超声成像、超分辨率超声成像、三维超声成像、四维超声成像等需要实时存储和快速处理大量数据的超声应用，都可以通过该发明方法降低数据量。

此外，本实施例中的回波信号的矩阵重建处理采用补零方式，充分利用了血管网络本身的稀疏特性，能够在降低数据量的同时较好地保留信号中的血流成分，从而保持成像信噪比、分辨率、检测血流变化的灵敏度，也即保证了与全数据量相当的成像质量。

上述实施例仅用于举例说明本发明的一种具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。如，在上述实施例中，超声探头采用的是中心频率为15.6MHz，128通道的线阵超声探头。而在本发明的其他方案中，也可以采用其他超声探头。